常用温度传感器

学习要点 常用温度传感器热电阻温度传感器 模块2常用温度传感器 温度传感器有3个发展阶段 即传统的分立式温度传感器 模拟集成温度传感器 智能温度传感器 目前 国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式 由集成化向智能化 网络化的方向发展 2 1温度传感器概述 一 温度与温标温度是衡量物体 或物质 冷热程度的物理量 能够把温度的变化转化为电量 电压 电流或阻抗等 变化的传感器称为温度传感器 温标是衡量温度的标准尺度 目前国际上使用较多的是摄氏温标和热力学温标 二 温度传感器的工作原理定义 利用各种物质材料的不同物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的装置 水银温度计 热胀冷缩双金属温度计 两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同 三 温度传感器的分类用来测量温度的传感器种类种类很多 常用的有热敏电阻 热电阻 PN结 热电偶以及为简化测量电路而开发的集成温度传感器 温度传感器按不同的分类依据分类如下 1 按传感器于被测介质的接触方式 接触式和非接触式 2 按物理现象分类P44表2 1 3 按测温范围分类P44表2 2 4 按测温特性分类P44表2 3 四 温度传感器的主要发展方向超高温与超低温传感器提高温度传感器的精度和可靠性研制家用电器 汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器发展新型产品发展适应特殊测温要求的温度传感器发展数字化 集成化和自动化的温度传感器 把由金属导体铂 铜 镍等制成的测温元件称为金属热电阻 可构成热电阻传感器 把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻 可构成热敏电阻传感器 它的灵敏度比前者高十倍以上 热电阻分类 作用 测量温度及与温度有关的参量 2 2热电阻温度传感器 一 热电阻的测温原理 热电阻效应 物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象 金属的电阻温度系数为正值 如图 因为 在金属中 载流子为自由电子 当温度升高时 每个自由电子的动能将增加 因而在一定的电场作用下 要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力 导致金属电阻值随温度的升高而增加 金属的电阻 温度特性曲线 热电阻温度传感器是利用物质的电阻率随温度变化而变化的特性来进行温度测量的 热电阻的温度特性主要是指热电阻的阻值Rt与温度t之间的关系 热电阻的电阻值与温度之间呈非线性关系 热电阻测量电路作用 将由温度引起的阻值的变化转换成电压信号 热电阻温度传感器的测温电路通常采用电桥把热电阻的阻值的微小变化转化为电压的微小变化 再由差动放大器放大成较大的电压信号输出 去带动指针式表头指示温度 或经A D转换后由数显表头显示温度 或由微处理器采集温度 如果热电阻安装的位置与仪表相距较远 当环境温度变化时 其连接导线电阻也要变化 为消除连接导线电阻变化带来的测量误差 测量时采用三线制连接法 除了三线制接法 另外还有四线制接法 主要用于精密测量 热电阻两线测量桥路 热电阻的两端各引出一根导线与指示仪表连接 称为二线制接法 二线制接法仅适用于热电阻与指示仪表距离较近 连接导线较短或精度不高的场合 热电阻测温系统一般由热电阻 连接导线和显示仪表等组成 电路装在指示仪表 置于控制室中 热电阻装在金属护套内置于现场被测介质中 由导线将两者连接起来 二 热电阻材料 结构及参数 1 热电阻材料 较为广泛应用的电阻体材料有 铂 铜 镍 铁等 而常用的是铂 铜 对电阻体材料的基本要求 电阻温度系数大 提高灵敏度电阻率尽可能大 减小电阻尺寸材料的化学 物理性质稳定 减小误差材料易于加工 提高工艺性 铂热电阻 铂电阻的特点是耐高温 性能稳定 抗氧化能力强 电阻率高 材料易于提纯等优点 在国际实用温标中以铂电阻作为标准 铂电阻的测量范围为 200 960 铂电阻价格较贵 它们的分度号分别为Pt10 Pt50 Pt100 其中Pt100最常用 我国工业用铂热电阻有 铜热电阻 由于铂是贵金属 在测量精度要求不高 温度范围在 50 150 时普遍采用铜电阻 铜电阻的R0常取100 50 两种 分度号为Cu100 Cu50 优点 铜易于提纯 价格低廉 电阻 温度特性线性较好 价格低廉 互换性好 固有电阻小 缺点 电阻率较小 仅为铂的几分之一 因此铜电阻所用阻丝细而且长 机械强度较差 热惯性较大 在温度高于100 时 易氧化 稳定性较差 因此 只能用于低温及无腐蚀性的介质中 铜的机械强度较差 一般用双绕法 先将铜丝对折 两根丝平行绕制 两个端头处于支架的同一端 2 热电阻的结构 电阻体的结构 电阻体由电阻丝和支架组成 通常铂丝直径在0 03 0 07mm之间 可单层绕制 电阻体可做得很小 铜丝的直径较大 一般为0 1mm的漆包铜线分层绕在骨架上 并涂上绝缘漆而成 玻璃骨架铂热电阻感温元件 云母骨架铂热电阻 铜热电阻感温元件 热电阻式传感器的结构 由电阻体 感温元件 引出线 绝缘套管和接线盒等部件组成 其中 电阻体 感温元件 是主要部件 普通工业用热电阻基型产品结构 3 热电阻的基本参数 1 标称电阻 R0 热电阻在0 时的电阻值 2 分度表 以表格形式表示热电阻的电阻 温度对照表分度号 Pt100 表示金属材料为铂 标称电阻为100 3 温度测量范围及允许偏差范围 4 热响应时间 5 额定工作电流 Rt1和Rt2分别接入电桥两相邻桥臂 Rt1放在被测介质的流通管道的中心 Rt2放在连通室中 不受介质流速影响 当被测介质处于静止状态时 将电桥调到平衡状态 检流计 指零 当介质流动时 由于介质流动要带走热量 Rt1所耗散的热量与被测介质的平均流速成正比 因而Rt1温度下降 引起电阻下降 电桥失去平衡 检流计有相应指示 可用流量或流速标定 三 热电阻应用 热电阻式流量计 突断型温度传感器 电热水壶接通电源加热后 水温逐步上升到100度 水开始沸腾 蒸汽冲击蒸汽开关上面的双金属片 由于热胀冷缩的作用 双金属片膨胀变形 顶开开关触点断开电源 如果蒸汽开关失效 壶内的水会一直烧下去 直到水被烧干 发热元件温度急剧上升 位于发热盘底部的有两个双金属片 会因为热传导作用温度急剧上升 膨胀变形 断开电源 实验一Pt100铂电阻 Cu50铜热电阻 测温特性实验 一 实验目的了解Pt100 Cu50 热电阻 电压转换方法及Pt100 Cu50 热电阻测温特性与应用 二 基本原理 Rt R3 K R1 RW1 Vc R4 R1 RW1 Vo KVcR4 R4 R1 RW1 Vo 三 需用器件与单元四 实验步骤 五 实验结果记录 附表 Pt100铂电阻分度表 t Rt对应值 Cu50铜电阻分度表 t Rt对应值 休息一下 Smelltheflowers 学习要点 热敏电阻温度传感器集成温度传感器 模块2常用温度传感器 1 定义半导体热敏电阻简称热敏电阻 是一种新型的半导体测温元件 它是用电阻值随温度而显著变化的半导体电阻制成的 通常采用重金属氧化物锰 钛 钴等材料 在高温下烧结混合而成 热敏电阻分类 正温度系数热敏电阻 PTC 各种热敏电阻的特性曲线1 突变型NTC2 负温度NTC3 线形型PTC4 突变型PTC 负温度系数热敏电阻 NTC 一 热敏电阻传感器 突变型 又称临界温度型 英文缩写CTR 表2 4 2 特点用半导体材料制成的热敏电阻 与金属热电阻相比 有如下特点 电阻温度系数大 热敏电阻的温度系数比金属电阻大10倍左右 因此它的灵敏度很高 结构简单 体积小 电阻率高 热惯性小 适宜动态测量 阻值与温度变化呈非线性关系 稳定性和互换性相对较差 3 结构 热敏电阻结构 MF12型NTC热敏电阻 塑料封装热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻 MF58型热敏电阻 4 热敏电阻的应用 热敏电阻用于温度补偿 仪表中线圈一般用铜线绕制 当温度上升时 线圈电阻增大 产生温度误差 如果在线圈回路中串入一负温度系数的热敏电阻 则可抵消由于温度变化产生的误差 过热保护NTC薄膜热敏电阻MF52A 抑制浪涌工作电流 冰箱压缩机启动 过电流保护 热敏电阻测温 高低温度范围自动控制电路 家用空调温度检测 智能电饭煲温度检测 其他家用电气产品的温度检测 集成温度传感器则是将晶体管的b e结作为温度敏感元件 加上信号放大 调理电路 甚至A D转换或U f转换等电路集成在一个芯片上制成的 按其输出信号的不同可分为 以电压 电流 频率或周期形式输出的模拟集成温度传感器以数字量形式输出的数字集成温度传感器 集成温度传感器的优点是 使用简便 价格低廉 线性好 误差小 适合远距离测 控温 免调试等 二 集成温度传感器 AD590温度传感器在温度测量中的应用 以AD590为传感器 设计一数字显示温度表 测温范围0 100 误差不大于 1 AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流型集成温度传感器 这种器件在被测温度一定时 相当于一个恒流源 该器件具有良好的线性和互换性 测量精度高 并具有消除电源波动的特性 即使电源在5 15V之间变化 其电流只是在1 A以下作微小变化 一般用于高精度温度测量电路 其封装形式有三种 AD590的输出电流是以绝对温度零度 273 为基准 每增加1 它会增加1 A输出电流 因此在室温25 时 其输出电流Iout 273 2 25 298 2 A 图AD590基本应用电路 注意事项 1 Vo的值为Io乘上10K 以室温25 而言 输出值为10K 298 2 A 2 982V2 测量Vo时 不可分出任何电流 否则测量值会不准 若使用AD590测温并以摄氏度表示时 则要通过调零电路 最简单的为电桥 来实现 使零摄氏度时 送到放大电路的净输入电压为零 差动放大器输出Vo为 100K 10K V2 V1 T 10V 图AD590温度传感器测温原理图 作业 P826 7 休息一下 Smelltheflowers 学习要点 热电偶温度传感器测温原理热电偶三大定律 模块2常用温度传感器 学习要点 热电偶温度传感器测温原理热电偶三大定律 模块2温度传感器的应用 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器 其结构简单 使用方便 准确度高 响应速度快 便于维修 复现性好 测温范围广 一般为 270 2800 直接输出电信号 无测量转换电路 适于远距离测量 自动记录 集中控制 缺点是存在冷端温度补偿问题 一 热电偶传感器的工作原理 1 热电效应两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路时 若两个接点温度不同 则在该电路中会产生电动势 这种现象称为热电效应 热电偶的工作原理是基于物体的热电效应 图3 20热电偶测温原理图 有关热电偶的基本概念 热电极热电势测量端 工作端 热端 参考端 自由端 冷端 热电偶工作原理演示 热端温度高于冷端温度时 回路中产生的热电势大于零 冷热端温度相等时 回路中不产生热电势 热端温度低于冷端温度时 回路中产生的热电势小于零 2 接触电动势由于两种不同导体的自由电子密度不同 在接触处会发生自由电子的扩散形成的电动势 接触电动势的形成过程 由于两导体自由电子密度不同而发生电子扩散现象 导体A因失去电子而带正电 导体B则因获得电子而带负电 在接触面处形成电场 该电场的存在阻碍了电子的继续扩散 当电子扩散达到动态平衡时 就在接触区形成一个稳定的电位差 即接触电动势 接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接触点的温度 而与导体的形状及尺寸无关 3 温差电动势在同一导体中 由于温度不同而产生的一种电动势 温差电势很小 温差电动势形成过程 高温端的自由电子具有较大的动能而向低温端扩散 因而导致导体的高温端因失去电子而带正电 低温端由于获得电子而带负电 当电子扩散达到动态平衡时 则在导体两端间产生温差电动势 热电偶回路热电动势的组成 To恒定时 则总的热电动势就只与热端温度T成单值函数关系 即 热端接触电势 B导体的温差电势 冷端接触电势 A导体的温差电势 温差电势很小 可忽略不计 总热电势表达式 由热电动热的表达式可得下列规律 1 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体 只要该导体两端温度相等 则对热电偶回路总的热电动势无影响 同样加入第四 第五种导体后 只要其两端温度相同 不影响电路中的总热电动势 第三种导体 二 热电偶定律 中间导体定律的意义 根据这个定律 我们可采取任何方式焊接导线 可以将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量 且不影响测量精度 可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量 只要保证两热电极插入地方的温度相同即可 连接仪表的热电偶测量回路 开路热电偶测温 2 中间温度定律在热电偶测量电路中 测量端温度为t 自由端为to 中间温度为t 则 t to 的热电势等于 t t 与 t to 热电势代数和 中间温度定律的意义 当自由端温度为0 时 将热电偶工作端温度与热电动势对应关系制成热电偶的分度表 附录 利用该定律 可对参考端温度不为0 的热电势进行修正 运用补偿导线延长测温距离 消除热电偶自由端温度变化影响 即选用廉价的热电偶A B 代替t 到to段的热电偶A B 只要在 t to 温度范围内两者具有相近的热电势特性 便可将热电偶冷端延长到温度恒定的地方再进行测量 使测量距离加长 成本降低 而且不受原热电偶自由端温度t 的影响 课本第51页 第6题 已知热电极A B与参考电极C组成的热电偶在接点温度为 t to 时的热电动势分别为EAC t to EBC t to 则在相同温度下 由A B两种热电极配对后的热电动势EAB t to 可按下面公式计算为 3 参考电极定律 参考电极定律的意义 由于纯铂丝的物理化学性能稳定 熔点较高 易提纯 所以目前常用纯铂丝作为参考电极 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的过程 只要获得有关电极与参考电极配对的热电势 那么任何两种电极配对后的热电势均可利用该定理计算 而不需要逐个进行测定 已知 铂铑30 铂热电偶的E 1084 5 0 13 937mV 铂铑6 铂热电偶的E 1084 5 0 8 354mV 求 铂铑30 铂铑6热电偶在同样温度条件下的热电动势 解 设A为铂铑30电极 B为铂铑6电极 C为纯铂电极 EAB 1084 5 0 EAC 1084 5 0 EBC 1084 5 0 5 622mV 补充 当T为100 T0为0 时 铬合金 铂热电偶的E 100 0 3 13mV 铝合金 铂热电偶的E 100 0 1 02mV 求铬合金 铝合金组成热电偶的热电势E 100 0 作业 P829 休息一下 Smelltheflowers 学习要点 热电偶的种类和结构热电偶的冷端补偿和测温电路热电偶的应用及配套仪表 模块2常用温度传感器 1 热电偶的结构 绝缘套管 防止两根热电极之间短路 采用陶瓷 石英等材料 一般做成圆形或椭圆形 中间有孔 装入电极 保护管 电极套在绝缘套管后装入保护管 隔离电极与被测介质 避免电极受到介质侵蚀与损伤 保护管材料 黄铜 钢等传热材料 接线盒 连接电极和测量仪表 多用铝合金制成 工程上实际使用的热电偶大多是由热电极 绝缘套管 保护套管和接线盒等部分组成 热电极 热电偶常以热电极的材料种类来命名 铂铑 铂热电偶 热电极的直径 0 35 0 65mm 贵重金属 0 5 3 2mm 普通金属 热电偶的长度350 2000mm 部分达3500mm 一 热电偶的种类和结构 主要用于测量气体 蒸汽和液体等介质温度 铠装热电偶 薄膜热电偶 它是将金属保护套管 绝缘材料 热电极组合成一体 可以做得很细长 也称缆式热电偶 这种结构耐高压 反应时间短 坚固耐用 可以弯曲 适用狭小弯道内使用 用真空镀膜技术 将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成 适用于测量微小面积上的瞬变温度 2 热电偶的种类 普通型热电偶 普通装配型热电偶的外形 铠装热电偶外形 铠装热电偶横截面 电极 铠体 目前工业上常用的4种标准化的热电偶材料为 铂铑30 铂铑6 测温范围0 1600 性能稳定 精度高 价格高 铂铑10 铂 测温范围0 1300 由直径0 5mm的纯铂丝和同直径的铂铑丝制成 用于精密温度测量 属贵重金属 成本较高 镍铬 镍硅 测温范围 200 900 热偶丝直径为1 2 2 5mm 精度偏低 价格便宜 一般用于工业测量 镍铬 考铜 测温范围 200 600 热电偶丝直径1 2 2mm 灵敏度高 价格便宜 测温范围小 考铜易氧化变质 组成热电偶的两种材料写在前面的为正极 后面为负极 铂铑30指铂70 铑30 铂铑6指铂94 铑6 3 常用热电偶简介 在工程应用中 常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格 热电偶分度表 以供备查 分度表是自由端温度在0 时的条件下得到的 不同的热电偶具有不同的分度表 常用的热电偶有 铂铑 铂 S型 镍铬 考铜 E型 镍铬 镍硅 镍铝 K型 铂铑30 铂铑6 S型 等 组成热电偶的两种材料写在前面的为正极 后面的负极 为什么要进行冷端补偿 根据热电偶的测温原理 热电偶回路的热电势只与冷端和热端的温度有关 当冷端温度保持不变时 热电势才与测量端温度成单值对应关系 但在实际测量时 冷端温度常随环境温度变化而变化 不能保持恒定 因而会产生测量误差 二 热电偶的冷端补偿和测温电路 1 热电偶的冷端补偿 0 冷端恒温法 冰浴法 将热电偶的冷端置于0 的恒温器内 保持为0 此时测得的热电势可以准确的反映热端温度变化的大小 直接查对应的热电偶分度表即可得知热端温度的大小 在冰瓶中 冰水混合物的温度能较长时间的保持在0 不变 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里 使T0 0 这种办法仅限于科学实验中使用 为了避免冰水导电引起两个连接点短路 必须把连接点分别置于两个玻璃试管里 浸入同一冰点槽 使相互绝缘 冷端温度校正法 当热电偶的冷端温度t0 0 时 测得的热电动势 EAB t t0 EAB t 0 利用中间温度定律进行冷端温度校正 为什么要进行冷端温度校正 如果热电偶测量时冷端温度不为0 测得的热电势就不能直接去查相应的分度表 因为热电偶的分度表是按冷端温度为0 制作的 测量值 校正值 查分度表 例 用镍铬 镍硅热电偶测温度 已知冷端温度为40 测得这时的热电动势为29 188mV 求被测点温度 解 利用中间温度定律修正后的电势为 EAB t 0 EAB t 40 EAB 40 0 根据冷端温度查分度表 EAB 40 0 1 611mV则 EAB t 0 29 188mV 1 611mV 30 799mV根据修正后的电势30 799mV查分度表得 t 740 补偿导线法 实际测温时 由于热电偶的长度有限 冷端温度将受到被测介质温度和周围环境的影响 如热电偶安装在电炉壁上 电炉周围的空气温度的不稳定会影响到接线盒中的冷端的温度 造成测量误差 为了使冷端不受测量端温度的影响 同时为了节省费用 可采用与热电偶热电特性相近且廉价配套的补偿导线将冷端延伸到温度稳定处再进行温度测量 如图所示 A B 为补偿导线 根据补偿导线的定义有 电桥补偿法 当热电偶冷端温度t0上升时 热电势值将减小 但电阻阻值增加 电桥失去平衡 a b间显现的电位差 如果适当选取桥臂电阻 便可使正好等于减小的热电势值 仪表读出的热电势值便不受自由端温度变化的影响 即起到了自动补偿的作用 当冷端温度t0 0 时 将电桥调至平衡状态 a b两点电位相等 电桥对仪表读数无影响 电桥补偿法 电阻温度系数较小 电阻温度系数较大 1 测量某一点温度 一个热电偶和一个仪表配用的基本电路 仪表的读数为 补偿导线 热电偶测量某一点温度 2 热电偶的测温电路 2 测量两点间温度和的电路 两支同型号的热电偶正向串联 仪表的读数为 该电路的特点是 输出的热电势较大 提高了测试灵敏度 可以测量微小温度的变化 因为热电偶串联 只要有一支热电偶烧断 仪表即没有指示 可以立即发现故障 测量两点间温度和 3 测量两点温度之差的电路 两支同型号的热电偶反向串联 仪表的读数为 测量两点温度之差 4 测量两点间平均温度的电路 两支同型号的热电偶并联 仪表的读数为 该电路的缺点 当某一热电偶烧断时 不能立即察觉出来 会造成测量误差 测量两点间平均温度 5 多点温度测量线路 该种连接方法要求每只热电偶型号相同 测量范围不能超过仪表指示量程 热电偶的冷端处于同一温度下 多点测量电路多用于自动巡回检测中 可以节约测量经费 通过波段开关 可以用一台显示仪表分别测量多点温度 一台仪表分别测量多点温度 1 伺服式温度表 开关合向 检查电路 此时检流计指零 EB IRB成立 否则 应调整工作电流I 开关合向 测量电路 移动触点b使检流计指零时 系统达到平衡 即有Ex IRab 当电流I和电阻Rab已知时 则可以用触点b的位置标明被测电势的数值 即用b的位置跟踪EX的变化 3 热电偶的应用及配套仪表 功能 自动地移动触点b以跟踪被测电势EX 即温度 的变化 2 动圈仪表 XC系列动圈仪表测量机构的核心器件是一个磁电式毫伏计 设表内电阻为RIS 表外电阻为ROS 则流经回路的电流为 当被测温度变化时 变化 回路电流 随之变化 动圈转动力矩变化 带动指针转动 一般当被测金属表面温度在200 300 左右或以下时 可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属表面 当被测表面温度较高 而且要求测量精度高和响应时间常数小的情况下 常采用焊接 将热电偶的头部焊于金属表面 3 热电偶用于金属表面温度的测量 如图所示为管道内温度测量热电偶的安装方法 垂直管道轴线的安装 倾斜管道轴线的安装 弯曲管道上的安装 不管采用何种安装方式 均应使热电偶插入管道内有足够的深度 安装热电偶时 应将测量端迎着流体方向 4 热电偶用于管道内温度的测量 图中由毫伏定值器给出设定温度对应的毫伏数 当热电偶测量的热电势与定值器输出的数值有偏差时 说明炉温偏离设定值 此偏差经放大器放大后送到调节器 再经晶闸管触发器推动晶闸管执行器 从而调整炉丝加热功率 消除偏差 达到温控的目的 5 炉温测控应用 热电偶传感器在燃气热水器中的应用 利用热电偶温度传感器设计一个设置有防止不完全燃烧的安全装备 熄火安全装置 空烧安全装置及过热安全装置的燃气直流式热水器原理图 1 水气联动装置原理水气联动装置实际是一个压力敏感元件 它根据不同的水压控制燃气阀的开关 当打开冷水阀时 膜片右部的水压大于左部的气压 膜片向左鼓起 当水压力大于弹簧的预压力时 通过阀杆压缩弹簧打开燃气阀门 2 燃气直流式加热器工作原理当打开燃气进气阀 按动开关S时 电源通过VD1向C1充电 使VT1